控制Q13115G-H64高气压潜孔柱齿钻头质量的关键因素

刘少君

（天水风动机械有限责任公司，甘肃天水741020）

1 前言

潜孔钻头是与潜孔冲击器配套使用的硬质合金钎头，不仅用于露天采矿、地下采矿，还广泛用于水井钻进、矿物勘探、工程地质勘察柱孔钻进、岩层加固、地热孔钻进、地层锚固和通信线路及排水管路的安装等方面。在钻进中，孔外只有回转机构，潜孔冲击器在钻头的尾部，是利用冲击器的活塞在压缩空气循环作用下冲击钻头来破碎岩石并由压缩空气将岩渣吹出孔外。主要特点是使用寿命长、不用修磨、易加工、价格低等优点，在国内外广泛应用。

我公司生产的Q13115G-H64高气压潜孔柱齿钻头材质为23CrNi3Mo，在试验使用过程中出现钻头体头部早期失效断裂，钻头掉齿并连带壳体撕裂掉块，在掉块处有比较大的纵向裂纹。失效钻头库体见实图1～4。对失效钻头撕裂掉块处的纵向裂纹进行分析，发现裂纹平滑、比较直，裂纹内无氧化及脱碳现象，内有较多的碎金属块，金属块具有金属光泽，可断定裂纹属于冷裂，是钻头在使用过程中裂开。

图1 失效钻头库体的断裂形貌

图2 失效钻头库体的断裂形貌

图3 失效钻头库体的断裂形貌

图4 失效钻头库体的断裂形貌

下面从生产源头对Q13115G-H64高气压潜孔柱齿钻头的断裂失效进行分析并提出了一些控制其质量关键的因素。

2 钻头生产工艺流程

Q13115G-H64高气压潜孔柱齿钻头的生产全流程为：

轧材-切料-锻造-预先热处理-加工-渗碳-回火-加工-淬火-钻合金孔-热镶齿-涂料-包装入库。

2.1 轧材过程

2.1.1 化学成分

在失效的钻头体上取样，进行化学成分分析检验，采用ARL-3460直读光谱仪进行分析，结果见表1。

表1 失效钻头体的化学成分wt%

经过检验，Q13115G-H64钻头材料化学成分符合技术要求。

2.1.2 非金属夹杂物检验

在失效的钻头体上取样，利用SEM观察了纵剖面的夹杂物，如图5所示，在试样上观察到不同形态和尺寸的夹杂物。如图5（a）所示的尺寸约12um的颗粒状夹杂物，能谱分析为MgO和Al2O3复合氧化物。此外还有点链状夹杂，如图5（b），为CaS和Al2O3夹杂物，长度在20um左右，而宽度约4um。通过SEM分析，试样纵剖面上观察到的夹杂物主要是氧化物夹杂，在夹杂物周围也没有发现明显的裂纹，即钻头试样疲劳破坏并不是由这些夹杂物引起的。那么非金属夹杂物含量符合技术要求。

图5 夹杂物分析SEM照片

2.1.3 金相组织

使用线切割技术和切割机取Q13115GH64钻头表层部位的横向和纵向试样，采用自动式砂轮机对试样进行粗磨，分别用1号、3号、6号、8号金相砂纸进行精磨，置于绒布抛光机上抛光，再用4%的硝酸酒精进行着色，分别放于100×和500×电子光学显微镜下进行组织检测，钻头金相组织见图6。

从金相组织分析表明，Q13115G-H64钻头，表面细针状和隐针状马氏体增加了表面硬度，少量的颗粒状碳化物使工件具有极高的耐磨性，同时心部组织的板条马氏体细小，均匀，具有极好的综合机械性能，满足钻头极大的疲劳及冲击应力。通过上述三项检测得出，轧材在严格控制化学成分的同时，需控制夹杂物形态、尺寸及数量从而提高纯净度，并改善带状组织特征以促进纤维组织均匀化。

图6 钻头试样金相显微组织

2.2 锻造过程

2.2.1 Q13115G-H64钻头锻造工艺

棒材是由连铸φ200圆坯锻造成φ120，锻造压缩比为Y拔=F前/F后=D2前/D2后=2.8，锻造温度1150℃-1200℃，从室温加热到锻造温度需时间≥40min，终锻温度900℃-1000℃，随即砂埋保温。

2.2.2 钻头体原材料φ120棒材酸洗检测

对钻头体的原材料φ120棒材进行了酸洗，结果见图7。

图7 钻头体原材料Φ120棒材酸洗图

样片经酸洗发现，有明显的枝状晶组织及中心疏松现象。表明压缩比过小，φ120棒材用中频炉加热锻造成钻头毛坯时，钻头的大头部位几乎未发生变形，铸态组织并未完全消除，遗留棒材中。

2.2.3 解决方法

（1）增大锻造过程压缩比消除遗留在棒材中铸态组织。

（2）锻造钻头毛坯时为了防止组织粗大，须降低锻造时的温度和终锻温度。那么缩短加热时间可以达到目的。

2.3 机加工过程分析

2.3.1 Q13115G-H64钻头体产品图如图8所示

2.3.2 机加工过程控制重要性

圆滑的过渡倒角，可以防止淬火过程由于高的应力集中而萌生淬火裂纹，从而影响钻头的寿命。另外，较深的机加工刀口通常也是引起淬火过程开裂，从而降低疲劳寿命，所以控制表面机加工精度也显的非常重要。最后，合适的过盈量选择比较重要，因为过盈量过小，会导致固齿力不足，钻头受热时压力减小，易造成合金柱齿脱落导致钻头失效；而过盈量过大，其基体孔壁压力过高，会引起钻头体的疲劳裂痕，同样造成钻头早期失效。

经过分析Q13115G-H64钻头机加工工艺符合上述要求。

2.3.3 Q13115G-H64钻头需严格控制的工艺点及其设备改进点

加工工艺时必须控制好以下几点：

图8 Q13115G-H64钻头体产品图

（1）中心孔粗糙度(2)倒角粗糙度(3)过渡圆弧光滑度(4)花键齿宽及位置度(5)碳层车除干净、加工面平整、角度正确（6）合金孔尺寸精度及形位公差（7）热镶齿温度控制及压缝控制。

齿孔精加工时，设备必须在5轴加工中心上一次性钻铰成形，可极大的保证齿孔的精度和光洁度。

2.4 渗碳及后续热处理过程分析

2.4.1 渗碳工艺分析

（1）Q13115G-H64渗碳工艺

Q13115G-H64钻头渗碳深度为1.7mm，碳浓度0.7-0.75%，工件不能出现明显的断网状和连续网状及大块片状的碳化物。定时的进行炉膛的清理，保证渗碳时的气氛循环，对工作炉膛进行碳浓度检测等。

（2）渗碳工艺需要严格防止的三点：

a防止碳浓度过高或过低：随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。相反，要是碳浓度过低，就失去了渗碳的意义。

b防止渗碳后表面局部贫碳

c防止渗碳浓度加剧过度：产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。

2.4.2 热处理工艺分析

钻头要达到预期的性能，热处理是最重要的一环。不仅要达到钻头体需要的硬度，而且需要在此硬度条件下获得良好的组织性能，有足够的韧性和强度，同时降低回火脆性。

(1)Q13115G-H64钻头的热处理工艺曲线如图9所示。

图9 Q13115G-H64钻头热处理工艺曲线

（2）热处理工艺需严格控制以下四点：

a毛坯稳定化处理：其目的是为消除机加工应力，避免热处理产生肉眼看不到的微裂纹。

b预热：防止淬火时的急速加热导致组织改变。

c淬火加热：可以大幅度提高钻头的强度，韧性，耐磨性以及疲劳强度，从而提高钻头使用寿命。

d回火：提高组织稳定性，调整钻头力学性能，消除内应力，防止回火脆性。

3 结论

综合上述分析，对于提高Q13115G-H64钻头疲劳寿命，需从轧材、锻造、热处理和机加工等各个环节进行综合控制。轧材在严格控制化学成分的同时，需控制夹杂物形态、尺寸及数量从而提高纯净度，并改善带状组织特征以促进纤维组织均匀化。锻造过程通过变形温度和变形量控制以避免部分区域晶粒粗化。机加工要控制表面质量保证避免出现不合理的应力集中。渗碳和后续热处理工艺保证渗碳层与基体的合理强韧性匹配。而就各个工序作用而言，渗碳和后续热处理工艺控制对于改善疲劳寿命影响最为显著。

[1]刘雅政，闫永明，周乐育.提高钎具钢疲劳寿命的质量综合控制研究[C].2011全国钎钢钎具会议论文集：167-174.

[2]艾彬.23CrNi3Mo钢在凿岩钻具中的应用[C].2011全国钎钢钎具会议论文集：217-221.

[3]周宛如，陶大尧，于怀君.锻工工艺学96新版[M].北京：中国劳动出版社，1996.3.

[4]龙潜.球齿钎头用钢的研究[C].2011全国钎钢钎具会议论文集：235-241.